DE102018103893A1 - Variable stiffness object - Google Patents
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Abstract
Das Objekt (10) mit variabler Steifigkeit weist mindestens zwei Folien (14,16) auf, die übereinanderliegend angeordnet sind und einander zugewandte Innenseiten (18) sowie einander abgewandten Außenseiten (19) aufweisen. Der Abstand der beiden Folien (14,16) ist durch Erzeugung eines Unterdrucks innerhalb eines zwischen den beiden Folien (14,16) befindlichen Innenvolumens und/oder durch Erzeugen eines Überdrucks in einem außerhalb der Folien (14,16) befindlichen Außenvolumen veränderbar. An der Innenseite (18) jeder Folie (14,16) befindet sich eine Oberflächenstruktur (22) aus einem Array von einer Vielzahl von auf der Innenseite (18) der Folie (14,16) fixierten, erhabenen Vorsprüngen (12) mit zwischen diesen angeordneten Zwischenräumen (20), die jeweils von mindestens drei Vorsprüngen (12) umgeben sind, angeordnet und/oder ausgebildet ist. Ein Vorsprung (12) der Oberflächenstruktur (22) auf der Innenseite (18) der einen Folie (14,16) taucht bei Verringerung des Abstands beider Folien (14,16) in den ihm zugeordneten gegenüberliegenden Zwischenraum (20) der Oberflächenstruktur (22) auf der Innenseite (18) der anderen Folie (14,16) ein, wobei ein solcher Vorsprung (12) an mindestens drei der den Zwischenraum (20) begrenzenden Vorsprüngen (12) der Oberflächenstruktur (22) der Innenseite (18) der anderen Folie (14,16) anliegt.The variable rigidity object (10) has at least two foils (14, 16) which are arranged one above the other and have inner sides (18) facing one another and outer sides (19) facing away from one another. The distance between the two foils (14, 16) can be changed by generating a negative pressure within an inner volume located between the two foils (14, 16) and / or by generating an overpressure in an outer volume located outside the foils (14, 16). On the inside (18) of each film (14, 16) there is a surface structure (22) of an array of a plurality of raised projections (12) fixed on the inside (18) of the film (14, 16) with between them arranged intermediate spaces (20) which are each surrounded by at least three projections (12) arranged and / or formed. A projection (12) of the surface structure (22) on the inner side (18) of the one film (14, 16) dips into the associated intermediate space (20) of the surface structure (22) when the distance between the two films (14, 16) is reduced. on the inner side (18) of the other film (14, 16), such projection (12) being provided on at least three of the intermediate space (20) bounding projections (12) of the surface structure (22) of the inner side (18) of the other film (14,16) is present.
Description
Die Erfindung betrifft ein Objekt mit variabler Steifigkeit, das für sich selbst betrachtet als Konstruktionselement einer Vorrichtung oder aber als Halbzeug zur bedarfsweisen Versteifung einer Vorrichtung oder eines Teils einer Vorrichtung einsetzbar ist.The invention relates to an object with variable rigidity, considered by itself as a construction element of a device or as a semi-finished for stiffening a device or part of a device as needed.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine mechanische Struktur, durch die instantan, reversibel und nach Belieben die Steifigkeit eines Objekts verändert werden kann, und zwar ist das Objekt in einem ersten Zustand nahezu beliebig flexibel und in einem zweiten Zustand deutlich stärker versteift. In Zwischenzuständen kann das Objekt Zwischenflexibilitäts- bzw. Zwischensteifigkeitsgrade annehmen. Diese Aussagen gelten für eine kontinuierliche Menge an Verbiegeachsen/Biegekanten entlang des Objekts oder Achsen/Kanten durch das Objekt. Ein Beispiel ist ein quaderförmiges Objekt mit hoher Grundfläche und geringer Höhe wie eine Windschutzscheibe, welches entlang einer horizontalen Biegeachse gebogen wird. Die Steifigkeit entlang solch einer Verbiegung kann nun zwischen zwei Zuständen verändert werden, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle das Objekt verbogen wird.In particular, the invention relates to a mechanical structure by means of which the rigidity of an object can be altered instantaneously, reversibly and at will, and indeed in a first state the object is almost arbitrarily flexible and in a second state significantly more rigid. In intermediate states, the object can assume degrees of intermediate flexibility or intermediate stiffness. These statements apply to a continuous amount of bending axes / bending edges along the object or axes / edges through the object. An example is a cuboid object with a high base area and low height, such as a windshield, which is bent along a horizontal bending axis. The stiffness along such a bend can now be changed between two states, regardless of where the object is bent.
Allgemein gilt, dass die Steifigkeit eines Materials dessen Verformung als Reaktion auf eine einwirkende Kraft bzw. ein Moment bestimmt. Ein steifes Material verformt sich bei einer gegebenen Kraft wenig, während ein Material mit einer niedrigen Steifigkeit bei der gleichen Kraft eine starke Verformung aufweist. Je nach Einsatzzweck muss ein steifes oder nachgiebiges Material genutzt werden, da beide Zustände sich ausschließende Vorteile aufweisen. Ein nachgiebiges Objekt erlaubt beispielsweise
- - hohe Sicherheit und Stabilität. Kollidiert ein Mensch mit diesem Objekt, so verformt sich das Material und entzieht dem Aufprall hierdurch Energie. Der Aufprall wirkt weicher, die Verletzungsgefahr sinkt. Die Kraft wird ebenfalls abgefedert, sodass eine geringere Maximalkraft übertragen wird. Hierdurch werden Bauteile wie Servomotoren, welche über eine Feder mit einem Endeffektor verbunden sind, durch einen Aufprall mechanisch weniger belastet.
- - hohe Flexibilität und Adaption. Das Objekt kann sich seiner Umwelt anpassen. Hierdurch kann es in verschiedenen Umgebungen genutzt werden oder um Hindernisse herum bewegt werden. Zudem kann es die Kontaktfläche mit einem Objekt erhöhen, sodass z.B. elastische Haut eine höhere Reibung und damit eine stärkere Verbindung mit einem gegriffenen Gegenstand aufbauen kann.
- - hohe Energie-Effizienz (Resonanz). Bei einer spontan eintretenden Kraft speichert ein elastisch-nachgiebiges Objekt Energie. Diese kann es nutzen, um sich wieder abzustoßen. Kängurus speichern hierdurch bei Bodenkontakt Energie in ihren Muskeln und Sehnen und setzten sie beim Absprung wieder frei.
- - hohe Maximalkraft. Eine anliegende Kraft kann iterativ das Objekt verformen und so Energie in dem Objekt speichern. Zu einem gegebenen Zeitpunkt wird die Verformung wieder aufgelöst, wodurch kurzzeitig eine hohe Kraft entsteht, welche die ursächliche Kraft weit übersteigen kann.
- - viele Freiheitsgrade. Ein nachgiebiges Objekt kann an vielen Stelle verformt werden, wodurch es viele Bewegungen ermöglicht.
- - high security and stability. If a person collides with this object, the material deforms and thereby deprives the impact of energy. The impact is softer, the risk of injury drops. The force is also cushioned, so that a lower maximum force is transmitted. As a result, components such as servomotors, which are connected via a spring with an end effector, mechanically less loaded by an impact.
- - high flexibility and adaptation. The object can adapt to its environment. This allows it to be used in different environments or to be moved around obstacles. In addition, it can increase the contact surface with an object, so that eg elastic skin can build up a higher friction and thus a stronger connection with a gripped object.
- - high energy efficiency (resonance). In a spontaneously occurring force stores an elastic-compliant object energy. This can use it to repel. Kangaroos thus store energy in their muscles and tendons when they come in contact with the ground, releasing them again when they jump off.
- - high maximum force. An applied force can iteratively deform the object and thus store energy in the object. At a given point in time, the deformation is dissolved again, resulting in a momentary high force, which can far exceed the causative force.
- - many degrees of freedom. A compliant object can be deformed in many places, allowing many movements.
Demgegenüber erlaubt ein steifes Objekt beispielsweiseIn contrast, allows a stiff object, for example
- - effiziente Kraftübertragung. Übt man eine Kraft auf das Objekt aus, so wird diese schneller und ohne bzw. mit geringem Kraftverlust übertragen.- efficient power transmission. If you exert a force on the object, it will be transmitted faster and with little or no loss of power.
- - hohe Präzision und einfache Modelle. Das Verhalten eines steifen Objekts erfordert deutlich einfachere Modelle, sein Verhalten ist sehr vorhersagbar und damit präzise. Damit ist es einfach, die Bewegungen oder auszuübende Kräfte des Objektes zu steuern.- high precision and simple models. The behavior of a stiff object requires much simpler models, its behavior is very predictable and therefore precise. This makes it easy to control the movements or forces to be exerted on the object.
Je nach Situation überwiegen die Vorteile eines nachgiebigen oder steifen Objekts (vgl. die Anwendungsbeispiele). Aus diesem Grund ist es hilfreich, die Steifigkeit eines Objekts je nach Einsatzzweck stark zu erhöhen und zu verringern zu können. Dieser Prozess sollte idealerweise zu einem beliebigen Zeitpunkt ausführbar, instantan, zuverlässig und reversibel sein.Depending on the situation, the advantages of a yielding or stiff object predominate (see the application examples). For this reason, it is helpful to be able to greatly increase and decrease the rigidity of an object depending on the intended use. Ideally, this process should be executable, instantaneous, reliable, and reversible at any point in time.
Im Folgenden werden bekannte bisherige Lösungsversuche für das oben genannte Problem samt ihrer spezifischen Probleme beschrieben. Aufgeführt werden Probleme, welche mittels der Erfindung überwunden werden können.In the following, known attempts to solve the above problem together with their specific problems will be described. Be listed problems that can be overcome by the invention.
Magneto- und Elektrorheologische MaterialienMagneto and electrorheological materials
Magneto- und Elektrorheologische (MR, ER) Materialien ändern ihre mechanischen Eigenschaften bei Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes. Es handelt sich zumeist um magnetisch polarisierbare bzw. dielektrische Partikel, welche in einer Flüssigkeit gelöst sind. Bei Fehlen eines Feldes verteilen sie sich zufällig in der Flüssigkeit. Liegt ein Feld an, bilden die Partikel Ketten und erhöhen die Viskosität der Flüssigkeit, bis sie einen viskoelastischen Festkörper formen [1].Magneto and electrorheological (MR, ER) materials change their mechanical properties upon application of a magnetic or electric field. These are mostly magnetically polarizable or dielectric particles which are dissolved in a liquid. In the absence of a field, they randomly disperse in the fluid. When a field is applied, the particles form chains and increase the viscosity of the liquid until they form a viscoelastic solid [1].
MR und ER Materialien benötigen normalerweise hohe elektromagnetische Feldstärken. Darüber hinaus sind sie in erster Linie viskos und nicht elastisch, d.h. sie können mechanische Energie lediglich dissipieren, nicht jedoch speichern. Zudem ist die theoretische Beschreibung ihrer Eigenschaften nicht-trivial, was ihre Kontrolle schwierig gestaltet [2]. Hohe Steifigkeit ist nicht erreichbar [3].MR and ER materials usually require high electromagnetic field strengths. Moreover, they are primarily viscous and non-elastic, meaning they can generate mechanical energy only dissipate but not save. Moreover, the theoretical description of their properties is non-trivial, which makes their control difficult [2]. High rigidity is not achievable [3].
Thermorheologische MaterialienThermorheological materials
In thermorheologische Materialien werden die Phasenübergänge zwischen verschiedenen Aggregatzuständen von Materialien ausgenutzt, welche sich bei veränderten Temperaturen ergeben [4]. Der Übergang zwischen Eis und Wasser ist ein Beispiel hierfür.Thermo-rheological materials exploit the phase transitions between different states of aggregation of materials resulting from altered temperatures [4]. The transition between ice and water is an example of this.
Temperaturänderungen und die damit verbundenen Phasenübergänge finden normalerweise sehr langsam statt. Zudem muss das Material von relativ großen Gerätschaften umwickelt oder durchzogen sein, welche es aufheizen und abkühlen können. Zur Herstellung und Beibehaltung einer gewünschten Temperatur muss durchgehend Energie aufgewandt werden. Die Herstellung einer räumlich fokussierten Temperatur ist zudem äußerst schwierig. Je nach Temperaturbereich des Phasenübergangs ist zudem eine nicht zu vernachlässigende Verletzungsgefahr durch Verbrennung/Erfrierung gerade in der Material-Mensch-Interaktion vorhanden.Temperature changes and the associated phase transitions usually take place very slowly. In addition, the material must be wrapped or traversed by relatively large equipment, which can heat and cool it. To produce and maintain a desired temperature, energy must be expended throughout. Producing a spatially focused temperature is also extremely difficult. Depending on the temperature range of the phase transition, there is also a considerable risk of injury due to combustion / frostbite, especially in the material-human interaction.
Granular JammingGranular jamming
Granular Jamming beschreibt das Verhalten von körnigen Partikeln, die in einen vakuumdichten Beutel aus einer flexiblen Folie einem Vakuum ausgesetzt werden. Durch das Vakuum bildet sich ein Druckunterschied zwischen dem äußeren Luftdruck und dem inneren Vakuum. Dieser Druckunterschied drückt die Partikel zusammen, welche ineinander verkanten/verklumpen. Je vollständiger das erzeugte Vakuum, desto stärker verkanten die Partikel, wodurch sich das Verhalten des Beutels von dem einer nachgiebigen Flüssigkeit zu dem eines Festkörpers ändert [7], [5]. Die Form des Beutels ist nicht in der neutralen Konfiguration vorgegeben und kann sich bis zum Anlegen des Vakuums beliebig ändern. Das Vakuum fixiert die letzte Form.Granular jamming describes the behavior of granular particles that are exposed to a vacuum in a vacuum-tight bag made of a flexible film. The vacuum creates a pressure difference between the external air pressure and the internal vacuum. This pressure difference pushes the particles together, which tilt / clump together. The more completely the vacuum generated, the more the particles tilt, which changes the behavior of the bag from that of a flexible liquid to that of a solid [7], [5]. The shape of the bag is not predetermined in the neutral configuration and may change as desired until the vacuum is applied. The vacuum fixes the last form.
Granular Jamming benötigt ein großes Volumen an körnigen Partikeln, um signifikante Steifigkeit zu erreichen. Zudem ist die Beschreibung solcher Objekte nicht-trivial, sodass man die sich auf ein vorgegebenes Vakuum sich ergebende Steifigkeit nicht voraussagen kann. Entsprechend wurde Granular Jamming noch nicht in angewandten technischen Systemen genutzt [3].Granular jamming requires a large volume of granular particles to achieve significant rigidity. In addition, the description of such objects is non-trivial, so that one can not predict the resulting stiffness to a given vacuum. Accordingly, granular jamming has not yet been used in applied technical systems [3].
Layer JammingLayer jamming
Auch bei Layer Jamming wird ein Beutel benutzt, in welchem ein Vakuum aufgebaut wird. In dem Beutel werden Schichten (layer) von Materialien mit hohem Reibungskoeffizienten übereinander gelegt oder ineinander verwoben. Solange kein Vakuum anliegt, können die Schichten leicht aneinander vorbei gleiten. Solange die Schichten an sich nachgiebig sind, ist der Beutel nun nachgiebig. Sobald ein Vakuum anliegt, werden die Schichten aneinander gedrückt. Sie können dann nicht mehr aneinander vorbei gleiten, der Beutel erstarrt in seiner aktuellen Form und besitzt eine deutlich höhere Steifigkeit [3], [8]. Dieses Prinzip wird von Tecnalia für das Produkt Varstiff kommerziell genutzt und ist z.B. in
Layer Jamming ist anfällig für Verschmutzungen und Flüssigkeitseinschlüsse innerhalb des Beutels, da das Prinzip auf Reibung basiert. Zudem reiben die Schichten auch im neutralen Zustand aneinander. Dies bedingt, dass das Objekt auch im neutralen Zustand sehr viskos ist, denn der Luftbeutel beinhaltet viele Schichten, welche per definitionem einen hohen Reibungskoeffizienten besitzen. Darüber hinaus bietet Layer Jamming bereits aus theoretischen Gründen eine starke Einschränkung an die maximale Steifigkeit. Denn einerseits ist sie durch den Reibungskoeffizienten beschränkt. Andererseits würde selbst bei einer idealen Verbindung (d.h. ein unendlicher Reibungskoeffizient) die Steifigkeit des vakuumierten Beutels maximal äquivalent zu der des Schichtmaterials sein. Diese Schichten sind aufeinander gepresst und damit nun identisch zu einer einzigen Schicht mit höherer Dicke. Im neutralen Zustand lässt sich der Beutel allerdings nur verformen, wenn sich auch die Schichten selbst verformen lassen. Deshalb muss idealerweise ein Material gewählt werden, welches selbst eher nachgiebig ist. Ändert sich nun durch das Vakuum die effektive Dicke des Objekts, so wird es steifer, bleibt aber im Grunde nachgiebig.Layer jamming is prone to contamination and fluid trapping within the bag, as the principle is based on friction. In addition, the layers rub against each other in the neutral state. This implies that the object is very viscous even in the neutral state, because the air bag contains many layers, which by definition have a high coefficient of friction. In addition, for theoretical reasons, Layer Jamming offers a strong limitation on maximum stiffness. Because on the one hand, it is limited by the coefficient of friction. On the other hand, even with an ideal connection (i.e., an infinite coefficient of friction), the stiffness of the vacuum bag would be at most equivalent to that of the layer material. These layers are pressed together and thus identical to a single layer with a higher thickness. In the neutral state, however, the bag can only be deformed if the layers themselves can also be deformed. Therefore, ideally, a material must be chosen, which itself is rather yielding. If the effective thickness of the object changes as a result of the vacuum, it becomes stiffer, but remains basically yielding.
Tooth-Linked Vacuum Pressure Locking MechanismTooth-Linked Vacuum Pressure Locking Mechanism
Zou et al. [6], [9] entwickelten einen Mechanismus, welcher ebenfalls den Druckunterschied zwischen dem normalen Luftdruck und und dem künstlichen Luftdruck innerhalb eines flexiblen Beutels nutzt. Sie nutzen einen flexiblen Schlauch, welcher von Rillen umgeben ist. Dieser ist wiederum umgeben von einer luftundurchlässigen Folie mit einzelnen Zähnen. Schlauch und Folie bilden zusammen den luftundurchlässigen Beutel. Wird nun ein Vakuum erzeugt, presst sich die äußere Folie an den Schlauch, die Zähne werden in die Rillen des Schlauches gepresst. Möchte man den Schlauch nun verbiegen, müsste man die Folie dehnen. Solange die Folie nicht dehnbar ist, ist der Schlauch nun steif in seiner aktuellen Form fixiert.Zou et al. [6], [9] developed a mechanism that also uses the pressure difference between the normal air pressure and the artificial air pressure inside a flexible bag. They use a flexible hose, which is surrounded by grooves. This is in turn surrounded by an air-impermeable film with individual teeth. Hose and foil together form the air-impermeable bag. If a vacuum is now generated, the outer foil presses against the tube, the teeth are pressed into the grooves of the tube. If you want to bend the hose now, you would have to stretch the film. As long as the film is not stretchable, the tube is now rigidly fixed in its current form.
Ein Nachteil des Mechanismus besteht darin, dass er lediglich auf rohrförmige Strukturen angewandt werden kann. Eine Erweiterung auf flächige Objekte ist nicht beschrieben und nicht-trivial möglich.A disadvantage of the mechanism is that it is only on tubular structures can be applied. An extension to flat objects is not described and not trivially possible.
Die Stabilität des Objekts ist dadurch eingeschränkt, dass Folie und Schlauch die Steifigkeit in im neutralen Zustand wie auch im Zustand des Unterdrucks bestimmen. Deshalb sollte die Folie eher dünn sein, damit das Objekt im neutralen Zustand leicht verbieggar ist. Im Zustand des Unterdrucks wird die Folie nun eng an die große Oberfläche der Rillen angepresst. Beim Anpassen an die Form der Rillen entsteht ein hoher Druck auf die Folie, was ein Reißen mit sich bringen und das benötigte Vakuum zerstören kann. Darüber hinaus wird die Folie sich nicht nicht komplett in die Rillen einschmiegen können. Druck an diesen Stellen kann somit die Folie ebenfalls leicht zum Reißen bringen.The stability of the object is limited by the fact that foil and tube determine the stiffness in the neutral state as well as in the state of negative pressure. Therefore, the film should be rather thin, so that the object is slightly bent in the neutral state. In the state of negative pressure, the film is now pressed tightly against the large surface of the grooves. Adapting to the shape of the grooves creates a high pressure on the film, which can cause tearing and destroying the required vacuum. In addition, the film will not be able to completely nestle into the grooves. Pressure at these points can thus also bring the film easily to tearing.
Zudem wird die Apparatur im Zustand des Unterdrucks je nach Biegegrad des Schlauchs nicht komplett steif sein. Es wird angenommen, dass die Folie im Zustand eines geraden Schlauchs gespannt ist. Verbiegt man den Schlauch, so wird die Folie auf der Seite des Innenradius etwas schlaff hängen. Fixiert man Folie und Schlauch nun an bestimmten Punkten durch die Zähne miteinander, so bestehen einige Zwischenräume zwischen zwei Zähnen, an denen die Folie einseitig nicht straff ist. Diese Zwischenräume lassen sich insofern weiterhin verbiegen.In addition, the apparatus in the state of negative pressure will not be completely stiff depending on the degree of bending of the hose. It is believed that the film is stretched in the condition of a straight tube. If the hose is bent, the film will hang limply on the side of the inner radius. If the foil and tube are now fixed together at certain points through the teeth, there are some spaces between two teeth where the foil is not taut on one side. These gaps can continue to bend so far.
Weitere bekannte Konzepte für Vacuum Pressure Locking Mechanism sind beispielsweise in
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Konzepte zur wahlweisen Versteifung eines Objekts durch eine neue mechanische Struktur weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve the known concepts for the selective stiffening of an object by a new mechanical structure.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß ein Objekt mit variabler Steifigkeit, das im nicht versteiften Zustand längs einer Vielzahl von Biegeachsen bzw. Biegekanten flexibel ist und wahlweise versteift werden kann, wobei das erfindungsgemäße Objekt versehen ist mit
- - mindestens zwei Folien, die übereinanderliegend angeordnet sind und einander zugewandte Innenseiten sowie einander abgewandten Außenseiten aufweisen,
- - wobei der Abstand der beiden Folien durch Erzeugung eines Unterdrucks innerhalb eines zwischen den beiden Folien befindlichen Innenvolumens und/oder durch Erzeugen eines Überdrucks in einem außerhalb der Folien befindlichen Außenvolumen veränderbar ist,
- - wobei an der Innenseite der ersten Folie eine erste Oberflächenstruktur aus einem ersten Array von einer Vielzahl von auf der Innenseite der ersten Folie fixierten, erhabenen ersten Vorsprüngen mit zwischen diesen angeordneten ersten Zwischenräumen, die jeweils von mehreren ersten Vorsprüngen umgeben sind, angeordnet und/oder ausgebildet ist,
- - wobei an der Innenseite der zweiten Folie eine zweite Oberflächenstruktur aus einem zweiten Array von einer Vielzahl von auf der Innenseite der zweiten Folie fixierten, erhabenen zweiten Vorsprüngen mit zwischen diesen angeordneten zweiten Zwischenräumen, die jeweils von mehreren zweiten Vorsprüngen umgeben sind, angeordnet und/oder ausgebildet ist und
- - wobei ein erster Vorsprung der ersten Oberflächenstruktur auf der Innenseite der ersten Folie bei Verringerung des Abstands beider Folien in den diesem ersten Vorsprung zugeordneten gegenüberliegenden zweiten Zwischenraum der zweiten Oberflächenstruktur auf der Innenseite der zweiten Folie eintaucht und dabei an mindestens einem der diesen zweiten Zwischenraum begrenzenden zweiten Vorsprünge, vorzugsweise an sämtlichen den zweiten Zwischenraum begrenzenden zweiten Vorsprünge) der zweiten Oberflächenstruktur der Innenseite der zweiten Folie (seitlich) und ggf. auch stirnseitig an der zweiten Folie anliegt.
- at least two films, which are arranged one above the other and have inner sides facing each other and outer sides facing away from each other,
- wherein the distance of the two films is variable by generating a negative pressure within an inner volume located between the two films and / or by generating an overpressure in an outer volume located outside the films,
- - On the inside of the first film, a first surface structure of a first array of a plurality of fixed on the inside of the first film, raised first protrusions arranged between them first interspaces, which are each surrounded by a plurality of first protrusions arranged and / or is trained,
- - Wherein on the inside of the second film, a second surface structure of a second array of a plurality of fixed on the inside of the second film, raised second projections with arranged between these second spaces, each surrounded by a plurality of second projections, arranged and / or is trained and
- wherein a first projection of the first surface structure on the inner side of the first film is immersed in reducing the distance between the two foils in the opposing second intermediate space of the second surface structure assigned to this first projection on the inner side of the second film and thereby on at least one of the second space bounding this second gap Projections, preferably on all of the second gap bounding second projections) of the second surface structure of the inside of the second film (side) and possibly also on the front side abuts the second film.
Nach der Erfindung ist sinngemäß vorgesehen, dass das Objekt mindestens zwei flexible Folien aus beispielsweise Kunststoffmaterial aufweist, an deren einander zugewandten Innenseiten Oberflächenstrukturen aus einzelnen Vorsprüngen bzw. Blöcken angeordnet bzw. ausgebildet sind. Die Vorsprünge der einen Oberflächenstruktur bilden den Vorsprüngen der anderen Oberflächenstruktur zugeordnete Zwischenräume, die von Vorsprüngen jeweils umschlossen sind. Die Vorsprünge sind beispielsweise als Würfel oder im Querschnitt quadratische Quader ausgebildet und beispielsweise schachbrettartigoder anderweitig in Array-Form angeordnet. Jede andere Form von Vorsprüngen ist ebenfalls denkbar. Mit Vorteil sind die Vorsprünge geometrisch gleich. Die Vorsprünge der einen Oberflächenstruktur können untereinander gleich oder verschieden sein. Das Gleiche kann mit Vorteil auch für die Vorsprünge der anderen Oberflächenstruktur gelten. Die Geometrie der Vorsprünge und der Zwischenräume kann pro Oberflächenstruktur gleich oder ungleich sein. Von Vorteil ist ferner, wenn ein Vorsprung der einen Oberflächenstruktur komplementär zur Form des ihm zugeordneten Zwischenraums der anderen Oberflächenstruktur ist.According to the invention, it is analogously provided that the object has at least two flexible foils of, for example, plastic material, on whose mutually facing inner surfaces surface structures of individual projections or blocks are arranged or formed. The protrusions of the one surface structure form gaps which are assigned to the protrusions of the other surface structure and which are enclosed by protrusions in each case. The projections are formed, for example, as cubes or square cuboids in cross-section and arranged, for example, like a checkerboard or otherwise in an array form. Any other form of protrusions is also conceivable. Advantageously, the projections are geometrically equal. The protrusions of a surface structure may be the same or different from each other. The same can apply with advantage for the projections of the other surface structure. The geometry of the projections and the spaces may be equal or unequal per surface structure. Furthermore, it is advantageous if a projection of one surface structure is complementary to the shape of the intermediate space of the other surface structure assigned to it.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist jeder Vorsprung bei Betrachtung der Innenseite einer Folie in Erstreckung der auf dieser Innenseite stehenden Normalen eine n-fache Rotationssymmetrie aufweist, wobei n größer als drei oder vier oder größer als sechs oder größer als acht.According to a further embodiment of the invention, each projection has an n-fold when viewing the inside of a film in extension of the normal on this inner side Having rotational symmetry, where n is greater than three or four or greater than six or greater than eight.
Einfach ausführbar ist die Erfindung bei Verwendung von Vorsprungsformen, die die mathematischen Bedingungen einer platonischen Parkettierung erfüllen. Danach sind genau drei mögliche Parkettierungen einer Ebene mit regelmäßigen Polygonen möglich, nämlich Dreieck, Quadrat und Sechseck. Insoweit weist also jeder Vorsprung insbesondere eine 3-fache, 4-fache oder 6-fache Drehsymmetrie im oben genannten Sinne auf. Die Vorsprünge für die platonische Parkettierung sollten über Anfasungen an den Kanten und Ecken verfügen, damit ein verhakungsfreies Ineinander- und Auseinanderbewegen der Vorsprünge beider Folien einfacher gewährleistet ist.The invention is simple to carry out using projection forms which fulfill the mathematical conditions of a platonic tiling. Then exactly three possible tilings of a plane with regular polygons are possible, namely triangle, square and hexagon. In that regard, therefore, each projection has in particular a 3-fold, 4-fold or 6-fold rotational symmetry in the sense mentioned above. The projections for the Platonic tiling should have bevels on the edges and corners, so that a hook-free interlocking and moving apart of the projections of both films is more easily ensured.
Wenn nun die beiden Folien auf Abstand zueinander angeordnet sind, ohne dass die Vorsprünge der Oberflächenstruktur der einen Folie in die Zwischenräume der Oberflächenstruktur der anderen Folie eingetaucht sind, ist das Objekt flexibel, wobei diese Flexibilität letztendlich und vorzugsweise ausschließlich durch das Material der Folien selbst bestimmt ist. Je weiter die Folien aufeinander zu bewegt werden, desto weiter tauchen die Vorsprünge in Zwischenräume ein. Dadurch wird bereits die Flexibilität des Objekts in gewissen Grenzen eingeschränkt. Gänzlich steif ist das Objekt dann, wenn die Vorsprünge in die ihnen zugeordneten Zwischenräume vollständig eingetaucht sind. Spätestens dann, wenn die Vorsprünge vollständig in die Zwischenräume eingetaucht sind, liegen sie an zumindest einem und vorzugsweise allen den betreffenden Zwischenraum begrenzenden Vorsprüngen der jeweils anderen Oberflächenstruktur an. Zusätzlich kann die Oberseite eines Vorsprungs auch am Boden des Zwischenraums, der vorzugweise durch die Folie gebildet wird, anliegen. Das Ineinandergreifen verhindert jegliches Verbiegen des Objekts, das dadurch versteift ist, wobei jetzt die Steifigkeit durch das Material der Vorsprünge definiert ist. Dieses Material sollte wesentlich steifer, also einen wesentlich höheren Elastizitätsmodul als das Material der Folien aufweisen, die überdies eine geringe Dehnbahrkeit aufweisen sollten.If now the two films are arranged at a distance from each other, without the protrusions of the surface structure of a film are immersed in the interstices of the surface structure of the other film, the object is flexible, said flexibility ultimately and preferably determined solely by the material of the films themselves is. The farther the foils are moved towards each other, the farther the projections dip into spaces. This already limits the flexibility of the object within certain limits. The object is completely rigid when the projections are completely submerged in the spaces assigned to them. At the latest when the projections are completely immersed in the interspaces, they abut against at least one and preferably all of the respective space bounding projections of the respective other surface structure. In addition, the top of a projection may also abut the bottom of the gap, which is preferably formed by the film. The engagement prevents any bending of the object stiffened thereby, now the stiffness is defined by the material of the protrusions. This material should be much stiffer, ie have a much higher modulus of elasticity than the material of the films, which should also have a low Dehnbahrkeit.
Bei den beiden Folien kann es sich um zwei getrennte Lagen oder aber auch um eine gemeinsame Lage handeln, die zur Bildung der beiden Folien längs einer Linie rückgefaltet ist und somit zwei übereinanderliegende Folienlagen bildet.The two films may be two separate layers or else a common layer, which is folded back along a line to form the two films and thus forms two superimposed film layers.
Wie oben bereits erwähnt, können die Vorsprünge grundsätzlich nahezu jede gewünschte geometrische Form aufweisen. Vorzugsweise sollten die Vorsprünge ebene Flächenabschnitte längs ihrer Umfangsränder aufweisen. Die Vorsprünge können gleiche Breite über ihre Höhe aufweisen oder aber auch sich zu ihren oberen freien Enden hin verjüngen. Anfasungen, also „gebrochene“ Kanten an den Vorsprüngen, sind insoweit von Vorteil, als es dann beim Eintauchen der Vorsprünge in die ihnen zugeordneten Zwischenräume der betreffenden Gegenfolie nicht zu Verhakungen o.dgl. kommt. Insoweit wirken diese „gebrochenen Kanten“ als Einlauf- und Einführhilfen.As already mentioned above, the projections can basically have almost any desired geometric shape. Preferably, the projections should have flat surface portions along their peripheral edges. The projections may have the same width over their height or taper to their upper free ends. Chamfers, so "broken" edges on the projections, are so far advantageous, as it is when dipping the projections in their associated spaces of the respective counter-foil not to hooks or the like. comes. In that regard, these "broken edges" act as inlet and insertion aids.
Die Anordnung und Form der Vorsprünge und Zwischenräume der beiden Oberflächenstrukturen sind insbesondere komplementär, was aber nicht notwendigerweise für die gesamten Bereiche der Oberflächenstrukturen gelten muss. So könnte z. B. mindestens ein Zwischenraum oder eine geringe Anzahl von Zwischenräumen frei von Vorsprüngen der jeweils anderen Oberflächenstruktur bleiben oder aber von Vorsprüngen jeweils nur teileweise ausgefüllt sein.The arrangement and shape of the projections and spaces of the two surface structures are particularly complementary, but this need not necessarily apply to the entire areas of the surface structures. So z. B. at least one space or a small number of spaces remain free of projections of the other surface structure or be filled by projections in each case only partially.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand der Vorsprünge der Oberflächenstruktur der Innenseite jeder Folie zumindest gleich der Höhe der Vorsprünge ist und dass die Vorsprünge der Oberflächenstruktur der Innenseite jeder Folie oder pro einzelner Folie die gleiche Geometrie aufweisen.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the distance of the projections of the surface structure of the inside of each film is at least equal to the height of the projections and that the projections of the surface structure of the inside of each film or per individual film have the same geometry.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorsprünge der Oberflächenstruktur der Innenseite jeder Folie oder pro einzelner Folie regelmäßig angeordnet sind.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the projections of the surface structure of the inside of each film or per individual film are arranged regularly.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Vorsprung eine umlaufende Umfangsfläche aufweist, die in einem Winkel von im Wesentlichen 90° von der Innenseite der Folie aufragt und dass ein Vorsprung in dem Zustand, in dem er in dem ihm zugeordneten Zwischenraum eingetaucht ist, die Umfangsfläche eines diesen Zwischenraum begrenzenden Vorsprungs und vorzugsweise die Umfangsflächen sämtlicher diesen Zwischenraum begrenzenden Vorsprünge kontaktiert.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that each projection has a peripheral peripheral surface which projects at an angle of substantially 90 ° from the inside of the film and that a projection in the state in which it is immersed in its associated space, the peripheral surface of a projection bounding this gap, and preferably the peripheral surfaces of all these projections bounding this gap contacted.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Vorsprung eine umlaufende Umfangsfläche mit mehreren benachbarten ebenen Flächenabschnitten aufweist, wobei jeweils zwei benachbarte ebene Flächenabschnitte einen Innenwinkel von kleiner als 180° bilden, und dass ein Vorsprung in dem Zustand, in dem er in dem ihm zugeordneten Zwischenraum eingetaucht ist, einen Flächenabschnitt eines diesen Zwischenraum umgebenden Vorsprungs und vorzugsweise jeweils einen Flächenabschnitt sämtlicher diesen Zwischenraum begrenzenden Vorsprünge kontaktiert.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that each projection has a peripheral peripheral surface with a plurality of adjacent planar surface portions, wherein each two adjacent planar surface portions form an inner angle of less than 180 °, and that a projection in the state in which he immersed him assigned space, contacted a surface portion of a gap surrounding this gap and preferably in each case a surface portion of all this gap bounding projections.
Ferner ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mehrere Folienpaare aus jeweils einer ersten Folie und einer zweiten Folie übereinander angeordnet sind, wobei die Außenseite einer Folie eines Folienpaars an der Außenseite einer Folie des benachbarten Folienpaars anliegt und beide Folien miteinander verbunden, insbesondere verklebt sind.Further, in an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a plurality of pairs of films are arranged one above the other from each of a first film and a second film, wherein the outer side a film of a film pair rests against the outside of a film of the adjacent film pair and both films are joined together, in particular glued.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Erfindung gekennzeichnet durch mindestens eine dritte Folie, die zwischen der ersten und der zweiten Folie angeordnet ist, wobei die mindestens eine dritte Folie auf ihren beiden Hauptseiten jeweils eine Oberflächenstruktur aus einem Array von einer Vielzahl von auf der betreffenden Hauptseite der dritten Folie fixierten, erhabenen Vorsprüngen mit zwischen diesen angeordneten Zwischenräumen, die jeweils von mehreren Vorsprüngen umgeben sind, aufweist und wobei die jeweilige Oberflächenstruktur der mindestens einen dritten Folie komplementär zu der jeweiligen Oberflächenstruktur der der betreffenden Hauptseite der dritten Folie gegenüberliegenden Innenseite der ersten bzw. zweiten Folie oder der gegenüberliegenden Hauptseite einer weiteren dritten Folie ist.In an advantageous embodiment, the invention is characterized by at least one third film, which is arranged between the first and the second film, wherein the at least one third film on its two main sides each have a surface structure of an array of a plurality of on the relevant main page of the third Foil fixed, raised projections with spaces between them, which are each surrounded by a plurality of projections, and wherein the respective surface structure of the at least one third film complementary to the respective surface structure of the respective main side of the third film opposite the inside of the first and second film or the opposite major side of another third film.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Folie jeweils einen Außenrand aufweist, längs derer die beiden Folien zur Bildung eines ersten Beutels gasdicht miteinander verbunden sind, und dass der Beutel mit einer verschließbaren Öffnung zur Be- und Entlüftung des Innenvolumens des Beutels versehen ist.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the first and the second film each having an outer edge, along which the two films are gas-tightly connected to form a first bag, and that the bag with a closable opening for ventilation of the Inside volume of the bag is provided.
Ferner ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass jede erste, zweite und, sofern vorhanden, dritte Folie einen Außenrand aufweist, wobei jeweils benachbart angeordnete Folien zur Bildung jeweils eines Beutels längs ihrer Außenränder gasdicht verbunden sind, und dass jeder Beutel mit einer verschließbaren Öffnung zur Be- und Entlüftung des Beutels versehen ist.Further, according to one embodiment of the invention, it is provided that each first, second and, if present, third film has an outer edge, in each case adjacently arranged films are gas-tight to form a bag along its outer edges, and that each bag with a closable opening provided for ventilation of the bag.
Mindestens zwei Beutel können aber auch ggf. einander überlappend nebeneinander angeordnet sein. Dadurch entsteht eine längliche Anordnung aus einzelnen Beuteln, die unabhängig voneinander „versteift“ werden können. Eine Konstruktion, die mit einer solchen linearen „Beutelanordnung“ versehen ist, kann somit bereichsweise selektiv versteift werden. Auch eine 2D-Beutelanordnung aus überlappend nebeneinander liegenden Beuteln ist realisierbar und könnte bei Bedarf zonenweise versteift bzw. allgemein ausgedrückt zonenweise mit unterschiedlicher Flexibilität versehen werden.However, at least two bags may also be arranged next to one another in overlapping relationship. This creates an elongated arrangement of individual bags that can be "stiffened" independently of each other. A construction provided with such a linear "bag arrangement" can thus be selectively stiffened in some areas. A 2D bag arrangement of overlapping juxtaposed bags is also feasible and could, if necessary, be stiffened zone-wise or, in general terms, zone-wise provided with different flexibility.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, basiert die Erfindung also auf dem Prinzip der Erzeugung eines Unterdrucks beispielsweise innerhalb eines Beutels, welcher die obere und untere Folie aufeinanderpresst.As can be seen from the above, the invention is thus based on the principle of creating a negative pressure, for example inside a bag, which presses the upper and lower film together.
Das Aufeinanderpressen der Folien kann auch durch Unterdruck von außerhalb eines Beutels erfolgen. Für den Unterdruck kann z. B. eine Saugpumpe oder eine mit dem Innern des Beutels in Fluidverbindung stehende pneumatische Kolben/Zylindereinheit zum Austausch von Gas aus dem Beutel in die Einheit und umgekehrt (ggf. als geschlossenes System ausgeführt) gewählt werden. Die (gegebenenfalls wiederholte Vor- und Zurück-) Bewegung des Kolbens kann manuell oder motorisch erfolgen. Je nach Anwendung kann es von Vorteil sein, wenn das „Zusammenpressen“ recht schnell erfolgt. Denkbar ist es auch, wenn die Luft in dem Beutel per Mund eingebracht oder abgesaugt wird (z.B. in der Anwendung der Erfindung für Objekte, die in der Freizeit bzw. beim Sport benutzt werden wie beispielsweise ein Rückenprotektor beim Wintersport z. B. beim Skifahren oder Snowbordfahren).The pressing together of the films can also be done by negative pressure from outside a bag. For the negative pressure z. B. a suction pump or a standing with the interior of the bag in fluid communication pneumatic piston / cylinder unit for the exchange of gas from the bag into the unit and vice versa (possibly designed as a closed system). The (possibly repeated forward and backward) movement of the piston can be done manually or by motor. Depending on the application, it may be advantageous if the "compression" is done quite quickly. It is also conceivable if the air in the bag is introduced or sucked by mouth (eg in the application of the invention for objects that are used in leisure or sports, such as a back protector in winter sports such as skiing or snowbording).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand dieses Ausführungsbeispiels beschrieben, ist aber auf dieses Ausführungsbeispiel nicht beschränkt. So brauchen die Folien nicht notwendigerweise einen Beutel zu bilden. Auch können mehr als zwei Folien, nämlich eine obere, eine untere und eine oder mehrere mittlere Folien, vorgesehen sein. Die Richtungsangaben auf der Folie (z.B. senkrecht/waagerecht) sind im Folgenden so angegeben, als würden die beiden Folien parallel und flach, d.h. waagerecht, übereinander liegen. Die Folien besitzen eine beliebige Dicke und Steifigkeit, sollten allerdings nicht dehnbar sein. Jede Folie ist großflächig bedeckt mit aufgeklebten Blöcken eines zweiten, sehr steifen Materials wie z.B. Aluminium (während die Folien beispielsweise aus Kunststoffmaterial, das flexibel und nicht dehnbar ist, bestehen). Alle Blöcke haben die gleiche Höhe. Die beiden Folien sind luftdicht an den Rändern miteinander verbunden. Sie bilden damit ein näherungsweise zweidimensionales Objekt. Die Steifigkeit dieser Fläche (genauer: Platte), d.h. die Kraft, die benötigt wird, um sie entlang einer Achse zu verbiegen, soll durch Anlegen eines Vakuums instantan zwischen der Steifigkeit der Folie und der der Blöcke wechseln.The invention will be described below with reference to this embodiment, but is not limited to this embodiment. Thus, the films do not necessarily need to form a bag. Also, more than two films, namely, an upper, a lower and one or more middle films may be provided. The directional details on the film (e.g., vertical / horizontal) are hereafter indicated as if the two films were parallel and flat, i. horizontally, one above the other. The films have any thickness and stiffness, but should not be stretchy. Each film is covered over a large area with glued-on blocks of a second, very stiff material, such as e.g. Aluminum (while the films are for example made of plastic material that is flexible and non-stretchable). All blocks have the same height. The two films are connected airtight at the edges. They thus form an approximately two-dimensional object. The stiffness of this surface (more precisely: plate), i. the force needed to bend it along an axis is intended to instantaneously switch between the stiffness of the film and that of the blocks by applying a vacuum.
Dies soll für jede mögliche Verbiegeachse/Biegekante gelten. Als Achse kommt jede mögliche (nicht notwendigerweise gerade) Linie in Frage, die von einer Seite des Objekts zu einer anderen reicht.This should apply to any possible bending axis / bending edge. The axis can be any possible (not necessarily straight) line that extends from one side of the object to another.
Der der Erfindung zu Grunde liegende Gedanken besteht nun darin, dass ohne Unterdruck/leichtem Überdruck (neutraler Zustand) der Abstand zwischen den beiden Folien so groß ist, dass sich die Blöcke kaum bzw. nicht berühren. Im Idealfall ist der Abstand der Folien höher als die doppelte Höhe der Blöcke, so dass sich die Blöcke nicht berühren. Auf jeder Folie sind die Blöcke so weit voneinander angeordnet, dass sich die Folie verbiegen lässt, ohne dass sich die Blöcke berühren. Verbiegt man diesen Luftbeutel nun, so bestimmt sich die Steifigkeit durch die Steifigkeit der Folie. Sobald ein Unterdruck in dem Beutel und/oder ein Überdruck von außen die Folien zusammendrückt, kommen die Blöcke der beiden gegenseitigen Folien direkt nebeneinander (Kanten an Kante) zu liegen. Verbiegt man das Objekt, so blockieren sich die Blöcke nun gegenseitig (Lock-Mechanismus), und die Steifigkeit des Objekts bestimmt sich durch die hohe Steifigkeit der Blöcke. Anders als im Fall des Layer Jammings bestimmt sich die Steifigkeit im neutralen und steifen Zustand somit durch unterschiedliche Materialien mit beliebig unterschiedlichen Eigenschaften.The idea underlying the invention consists in the fact that, without negative pressure / slight overpressure (neutral state), the distance between the two films is so great that the blocks barely touch each other or not. Ideally, the distance of the sheets is greater than twice the height of the blocks, so that the blocks do not touch. On each slide, the blocks are positioned so far apart that the slide flexes without the blocks touching each other. If this air bag is bent, the stiffness is determined by the stiffness of the film. As soon as a negative pressure in the bag and / or an overpressure from the outside compresses the foils, the blocks of the two mutual foils come to lie directly next to one another (edge to edge). If the object is bent, the blocks now block each other (lock mechanism), and the rigidity of the object is determined by the high rigidity of the blocks. Unlike in the case of layer jamming, the stiffness in the neutral and stiff state is thus determined by different materials with arbitrarily different properties.
Die Anordnung der Blöcke auf den einzelnen beiden Folien bestimmt fundamental die Eigenschaften des Objekts. Die Anordnung der Blöcke sowie die Blöcke selbst sollten mehrere Eigenschaften erfüllen. Einige Eigenschaften sollten erfüllt sein. Andere Eigenschaften sind nicht notwendig, sorgen allerdings für verbesserte Eigenschaften des Objekts. Notwendig ist es, dass auf den beiden Folien die Blöcke so angeordnet sind, dass die folgenden Eigenschaften erfüllt sind:
- - Jede Folie ist mit den Blöcken bedeckt.
- - Auf jeder einzelnen Folie berühren sich die Blöcke bei einer Verbiegung der Folie nicht oder erst bei einem hohen Biegewinkel. Um einen maximalen Verbiegewinkel zu erreichen, sind die Blöcke so weit voneinander entfernt wie sie selbst hoch sind. Wenn sie näher aneinander angeordnet sind, funktioniert der hier beschriebene Effekt weiterhin; allerdings kann man die Folie zwischen den beiden Blöcken lediglich um einen kleineren Winkel verbiegen. Es ist anzunehmen, dass ein geringfügig kleinerer Verbiegewinkel in den meisten Anwendungen keinen Nachteil darstellt, da die Folie großflächig mit Blöcken bedeckt ist und sich die Biegewinkel zwischen den einzelnen Blöcken addieren zu einem beliebig großen maximalen Verbiegewinkel des gesamten Objekts.
- - Each slide is covered with the blocks.
- - On each individual film, the blocks do not touch each other at a bending of the film or only at a high bending angle. To achieve a maximum bend angle, the blocks are as far apart as they are high. If they are closer together, the effect described here will continue to work; however, one can only bend the film between the two blocks by a smaller angle. It can be assumed that a slightly smaller bending angle is not a disadvantage in most applications since the film is covered with blocks over a large area and the bending angles between the individual blocks add up to an arbitrarily large maximum bending angle of the entire object.
Die in diesem Punkt beschriebene Eigenschaft führt dazu, dass jede Folie deshalb alleine genommen nachgiebig ist. Sind die Folien ausreichend weit voneinander entfernt, so ist die Steifigkeit des gesamten Objekts äquivalent zur Steifigkeit der Folien.
- - Legt man die Folien aufeinander, so passen die Blöcke ineinander, d.h. sie können nebeneinander angeordet werden, ohne dass die Folie gedehnt werden müsste.
- - Sobald die Folien übereinandergelegt werden, besitzt jeder Block nun mit Blöcken der anderen Folie Nachbarkanten, welche direkt anliegen. Verbiegt man das Objekt, so blockieren sich die Blöcke gegenseitig. Die Steifigkeit des Objekts ist äquivalent zur Steifigkeit der Blöcke.
- - Die Blöcke müssen nun einer Verbiegung des Objekts entgegenstehen, unabhängig von der Achse der Verbiegung. Sie stehen einer Verbiegung entgegen, wenn entweder auf einer Achse ein Block liegt, oder aber zwei Blöcke eine gemeinsame Kante besitzen. Auf jeder möglichen Verbiegeachse sollen nun möglichst viele (mindestens ein) Blöcke und Nachbarkanten liegen, die einer Verbiegung entlang dieser Kante entgegenstehen. Da die Folie nicht/schwer dehnbar ist, wird sich der Abstand zwischen zwei Blöcken auch bei einer Verbiegung entlang ihrer gemeinsamen Kante nicht erhöhen.
- - Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Vorsprünge bzw. Blöcke hat jede Folie Biegerichtungen, entlang derer keine Blöcke bzw. Vorsprünge angeordnet sind. Diese Biegerichtungen bilden eine 2D-Vektorbasis, so dass man jede der beiden Folien in jede beliebige Richtung, nämlich längs jeder Biegerichtung, verbiegen kann.
- - Im Zustand der Kompression ordnen sich nach der Erfindung die Blöcke bzw. Vorsprünge der beiden gegenüberliegenden Folien derart an, dass sie sich in jede mögliche Biegerichtung blockieren.
- - Laying the slides on each other, the blocks fit together, ie they can be arranged side by side, without the film would have to be stretched.
- - As soon as the foils are stacked, each block now has adjacent edges with blocks of the other foil, which lie directly against each other. If you bend the object, the blocks block each other. The rigidity of the object is equivalent to the rigidity of the blocks.
- - The blocks must now resist bending of the object, regardless of the axis of the bend. They are opposed to bending when either one block is on an axis or two blocks share a common edge. On every possible bending axis should now be as many (at least one) blocks and neighboring edges lie, which preclude a bend along this edge. Since the film is not / hardly stretchy, the distance between two blocks will not increase even with a bend along their common edge.
- - By the inventive arrangement of the projections or blocks each foil Biegerungen, along which no blocks or projections are arranged. These bends form a 2D vector base so that each of the two films can be bent in any direction, along each bending direction.
- - In the state of compression, according to the invention, the blocks or projections of the two opposing films arrange in such a way that they block in any possible bending direction.
Der beschriebene Effekt der Erfindung kann verbessert werden, wenn die Blöcke und ihre Anordnungen darüber hinaus bestimmte Anordnungen und Eigenschaften besitzen. U.a. sind folgende vorteilhafte Ausprägungen möglich:
- - Die Blöcke sollten möglichst regelmäßig angeordnet sein und die Größe und Form aller Blöcke auf einer einzelnen Folie gleich sein. Darüber hinaus soll jeder Block von oben betrachtet eine n-fache Rotationssymmetrie mit möglichst großem n besitzen. Dies ermöglicht, dass die Blöcke auch dann noch ineinander passen, wenn das Objekt im neutralen Zustand verformt wurde. Hierdurch kann das Objekt im neutralen Zustand verfort und mit Unterdruck die neue Form fixiert werden.
- - Die Blöcke sollten so angeordnet werden, dass im Zustand des Unterdrucks ein möglichst geringer Anteil der Folienfläche nicht von ihnen bedeckt wird. Hierdurch wird die maximale Steifigkeit ebenso wie die Riss-Stabilität bei punktuellem Druck auf die Folien erhöht.
- - Die Blöcke sollen eine senkrechte Kante bilden, welche möglichst rechtwinklig zur Folie ist. Hierdurch verkanten sie sich, wenn man die Folie verbiegt. Wenn die Blöcke sich nach oben hin leicht verjüngen, gleiten sie bei Erzeugen des Unterdrucks leichter ineinander, verkanten sich aber weniger effektiv.
- - Die Blöcke sollten möglichst hoch sein, wenn das Objekt besonders steif werden soll. Demgegenüber sollten die Blöcke niedrig bleiben, wenn das Objekt sehr flexibel verbiegbar sein soll.
- The blocks should be arranged as regularly as possible and the size and shape of all blocks on a single slide should be the same. In addition, each block is viewed from above have an n-fold rotational symmetry with n as large as possible. This allows the blocks to fit together even if the object has been deformed in the neutral state. As a result, the object can be fixed in the neutral state and with negative pressure the new shape can be fixed.
- - The blocks should be arranged so that in the state of negative pressure as little as possible of the film surface is not covered by them. As a result, the maximum rigidity is increased as well as the crack stability at selective pressure on the films.
- - The blocks should form a vertical edge, which is as perpendicular as possible to the film. As a result, they tilt when bending the film. As the blocks taper slightly upwards, they slide more easily together when the vacuum is created, but they tilt less effectively.
- - The blocks should be as high as possible if the object is to be particularly stiff. In contrast, the blocks should remain low if the object is to be very flexibly bendable.
Nutzt man höhere Blöcke, so erhöht sich die maximale Steifigkeit des Objekts. Allerdings muss man die Blöcke nun weiter auseinander setzen, damit jede einzelne Folie sich noch verbiegen lässt. Dadurch müssen die Blöcke eine höhere Grundfläche haben, was die Flexibilität des Objekts im neutralen Zustand verringert.Using higher blocks increases the maximum rigidity of the object. However, you have to put the blocks further apart, so that each individual foil can still bend. As a result, the blocks must have a higher base area, which reduces the flexibility of the object in the neutral state.
Dieses „Dilemma“ kann gelöst werden, indem man mehrere effektiv zweidimensionale Objekte mit jeweils niedrigen Blöcken aufeinander klebt. Die Dicke des entstehenden Objekts ist damit um ein vielfaches größer, und mit ihr die Steifigkeit im Zustand des Unterdrucks.This "dilemma" can be solved by sticking several effectively two-dimensional objects with low blocks on each other. The thickness of the resulting object is thus many times greater, and with it the rigidity in the state of negative pressure.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung ermöglicht es, instantan und reversibel die Steifigkeit eines Objekts stark zu verändern. Hierbei bestimmt sich die Steifigkeit im flexiblen und steifen Zustand durch zwei komplett unterschiedliche Materialien mit beliebig unterschiedlichen Steifigkeiten. Die Steifigkeit im neutralen und im Zustand des Unterdrucks sind unabhängig voneinander. Deshalb kann eine hohe maximale Steifigkeit bereits mit einem kleinen Volumen erreicht werden. Darüber hinaus können beide Materialien je nach Bedarf entweder elastisch oder viskos sein. Das erfindungsgemäße Objekt ist unempfindlich gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit, da die hohe Steifigkeit nicht durch Reibung aufgebaut wird. Abnutzungserscheinungen sind, anders als bei Prinzipien die auf Reibung basieren, nicht zu erwarten. Der Effekt benötigt keine bestimmten elektromagnetischen Feldstärken und Temperaturen.The invention makes it possible to change the rigidity of an object instantaneously and reversibly. The stiffness in the flexible and stiff state is determined by two completely different materials with different stiffnesses. The stiffness in the neutral and in the state of negative pressure are independent. Therefore, a high maximum rigidity can be achieved even with a small volume. In addition, both materials can be either elastic or viscous as needed. The object according to the invention is insensitive to dirt and moisture, since the high rigidity is not built up by friction. Wear and tear, unlike principles based on friction, are not expected. The effect does not require specific electromagnetic field strengths and temperatures.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 schematisch den Aufbau der innenliegenden Oberflächenstrukturen zweier einander zugewandter Folien in perspektivischer und Explosionsansicht, -
2 und3 Schnittansichten entlang der LinieII der1 im geradlinigen Zustand der Folie und im gebogenen Zustand der Folie, -
4 eine schematische Darstellung des Beutels, bestehend aus zwei Folien im flexiblen Zustand des Beutels, -
5 eine schematische Darstellung ähnlich der nach4 jedoch im Zustand des Beutels, in dem dieser nach Art einer Platte geformt und damit versteift ist, und -
6 und7
-
1 1 is a schematic perspective view of the structure of the inner surface structures of two films facing one another, FIG. -
2 and3 Sectional views along the lineII the1 in the straight-lined state of the film and in the bent state of the film, -
4 a schematic representation of the bag, consisting of two films in the flexible state of the bag, -
5 a schematic representation similar to the4 but in the state of the bag in which it is shaped and stiffened in the manner of a plate, and -
6 and7
Die Zeichnung veranschaulicht das Wirkungsprinzip eines erfindungsgemäßen Objekts
Die Vorsprünge
Die obere und die untere Folie
Im neutralen Zustand (Luft im Beutel) greifen die Vorsprünge
In den
In
Schließlich sei angemerkt, dass mehrere Doppel- oder auch Mehrkammerbeutel
Anwendungsgebieteapplication areas
Die Erfindung beschreibt ein Prinzip, welches die Steifigkeit eines planaren Objekts gegenüber Verbiegen instantan erhöhen bzw. verringern, d.h. verändern kann. Durch Verformung des grundlegenden planaren Objekts sind auch Steifigkeitsänderungen entlang anderer Achsen möglich. Erzeugt man ein Objekt, in welchem die planare Fläche mehrfach im Zickzack gefaltet ist, hat man eine Feder mit wechselbarer Steifigkeit. Das gefaltete Objekt lässt sich von oben entweder leicht oder schwer zusammendrücken.The invention describes a principle which instantaneously increases or decreases the stiffness of a planar object from bending, i. can change. By deforming the basic planar object, stiffness changes along other axes are also possible. If you create an object in which the planar surface is folded several times in zigzag, you have a spring with changeable stiffness. The folded object can be squeezed from above either lightly or hard.
Wenn die beiden Folien als doppelwandiges Rohr geformt sind, so beeinflusst ein Unterdruck die Steifigkeit bei einer Verbiegung entlang einer Querachse des Rohres. Das Rohr ist je nach Zustand leicht oder nicht verbiegbar. Dies könnte interessant sein für Operations-Roboter, welche zur minimalinvasiven Operation eingesetzt werden. Diese bestehen zumeist aus langen Stäben oder Schläuchen. Um sie in den Körper einzuführen, ist eine hohe Flexibilität nötig, damit der Roboter sich um innere Körperstrukturen herum bewegen kann. Sobald das zu operierende Gewebe erreicht wird, ist eine hohe Steifigkeit notwendig, um präzise zu arbeiten und hohe Kräfte sowie Drehmomente aufbringen zu können.When the two foils are formed as a double-walled tube, a negative pressure affects the stiffness in bending along a transverse axis of the tube. The tube is light or unbendable depending on the condition. This could be interesting for operation robots that are used for minimally invasive surgery. These usually consist of long rods or hoses. In order to introduce them into the body, a high degree of flexibility is required so that the robot can move around internal body structures. Once the tissue to be operated is achieved, high rigidity is required to work precisely and apply high forces and torques.
Ebenfalls vorstellbar ist eine Windschutzscheibe für Autos, welche aus zwei durchsichtigen Folien und Blöcken aus Glas oder durchsichtigem Kunststoff besteht. Der normale Zustand wäre hier der Zustand des Unterdrucks, sodass die Windschutzscheibe im Betrieb steif und die Sicht klar ist. Sobald ein Unfall z.B. mit einem Fußgänger detektiert wird, würde das Vakuum gelöst werden. Dies kann passiv passieren durch einen Stich in den Luftbeutel, aber auch durch aktives Aufpumpen des Luftbeutels wie bei einem Airbag. Die Windschutzscheibe würde flexibel. Hierdurch würde der Aufprall des Fußgängers oder eines eventuell nicht angeschnallten Autoinsassen auf die Windschutzscheibe abgefedert werden. Müsste das Auto anschließend gewaltsam geöffnet werden, könnten Rettungskräfte die Folie der Windschutzscheibe mit wenig Kraft einfach aufschneiden. Anders als beim Einschlagen einer Windschutzscheibe würden hierbei keine Glassplitter entstehen, welche die Rettungskräfte oder die Autoinsassen gefährden.Also conceivable is a windshield for cars, which consists of two transparent films and blocks of glass or transparent plastic. The normal condition here would be the condition of negative pressure, so that the windscreen is stiff in operation and visibility is clear. Once an accident, e.g. With a pedestrian detected, the vacuum would be released. This can happen passively by a sting in the air bag, but also by actively inflating the air bag as in an air bag. The windshield would be flexible. As a result, the impact of the pedestrian or a possibly unbolted car occupant would be cushioned on the windshield. If the car then had to be opened by force, rescue workers could easily cut open the foil of the windshield with little force. Unlike the impact of a windshield this would not be broken glass, which endanger the rescue or the car occupants.
Weitere Anwendungsgebiete wären Gegenstände, welche bei Benutzung steif, aber zum Transport flexibel sein müssen, wie z.B. Protektoren im Sport, Faltkajaks oder Campingmöbel, Schutzschilde etc.Further fields of application would be articles which, in use, must be stiff but flexible for transport, e.g. Protectors in sports, folding kayaks or camping furniture, protective shields etc.
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Objektobject
- 10'10 '
- Objektobject
- 10"10 "
- Objektobject
- 1212
- Vorsprunghead Start
- 1414
- obere Folieupper foil
- 1616
- untere Folielower foil
- 1818
- Innenseiteinside
- 1919
- Außenseiteoutside
- 2020
- Zwischenräumeinterspaces
- 2222
- Oberflächenstruktursurface structure
- 2424
- Rändermargins
- 2626
- Ein- oder MehrkammerbeutelSingle or multi-chamber bag
- 2828
- Öffnungopening
- 3030
- Schlauchtube
- 32'32 '
- Verteilerdistributor
- 32"32 "
- Verteilerdistributor
- 34"34 "
- Kammerchamber
- 36"36 "
- mittlere Foliemiddle foil
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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